王彥斌

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

換熱器是化工單元操作中的重要組成部分，目前在大型化工生產(chǎn)裝置中，各種換熱設(shè)備的數(shù)量一般占靜設(shè)備總數(shù)量的30%以上。因此，換熱器的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)可靠性起著重要作用。本案例蒸發(fā)流程采用強(qiáng)制循環(huán)，殼程采用飽和蒸汽加熱，詳見(jiàn)圖1。

圖1 蒸發(fā)流程示意圖

1 選型

物料蒸發(fā)或濃縮存在以下特點(diǎn)：為減少能耗，多采用多效蒸發(fā)；為降低投資，多不設(shè)置備用換熱器；蒸發(fā)或濃縮物料存在結(jié)晶、凝結(jié)等特性，導(dǎo)致?lián)Q熱器易堵塞，影響設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，因此蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)核心是保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，避免因換熱器頻繁堵塞而導(dǎo)致停工、同時(shí)減少操作工人的勞動(dòng)負(fù)荷。本文針對(duì)以上問(wèn)題及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某新建化工項(xiàng)目的蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算，保證設(shè)備可以長(zhǎng)周期運(yùn)行。

換熱器中固定管板式應(yīng)用廣泛，冷凝器、冷卻器、加熱器、再沸器等均適合，缺點(diǎn)是管殼程存在膨脹差，一般適用于管殼程溫差不大于100℃[1]的工況，蒸發(fā)器的管殼程溫差一般不大，利用殼程上設(shè)置膨脹節(jié)可克服上述膨脹差，因此本案例蒸發(fā)器選型采用固定管板式，對(duì)應(yīng)TEMA選型為BEM[2]。

本案例待蒸發(fā)物料宜堵，必須走管程；殼程為比較干凈的低壓蒸汽，介質(zhì)潔凈、允許壓降大、流速高，因此換熱管采用正三角形排列，折流板選用單弓型，同時(shí)蒸汽入口防沖擋板[3]。

根據(jù)以上分析及經(jīng)驗(yàn)，選定蒸發(fā)器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 蒸發(fā)器基本參數(shù)

2 對(duì)比

探討在其他參數(shù)不變的情況下，物料循環(huán)量、殼體直徑、換熱管長(zhǎng)、換熱管徑及管程污垢熱阻對(duì)傳熱效果的影響。

2.1 物料循環(huán)量對(duì)傳熱的影響

保持其他參數(shù)不變，選取物料循環(huán)量600、800、1000、1200、1400 t/h，研究其對(duì)傳熱的影響，見(jiàn)圖2～5。

圖2 管內(nèi)流速隨循環(huán)量的變化

圖2可看出，循環(huán)量對(duì)流速影響比較平緩。這是因?yàn)楸景咐黧w在管內(nèi)蒸發(fā)，屬于汽液兩相流，循環(huán)量小時(shí)氣化率大，因此換熱管內(nèi)的總體積流量變化不大。在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，流體流速在允許壓降范圍內(nèi)應(yīng)盡量選高，以便獲得較大傳熱系數(shù)和較小污垢沉積，但需注意流速過(guò)大在某些工況下會(huì)造成腐蝕或振動(dòng)。

圖3可看出，隨循環(huán)量的增加，管內(nèi)α隨之增加。管內(nèi)沸騰的同時(shí)流體也在流動(dòng)，導(dǎo)致加熱面上產(chǎn)生的氣泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動(dòng)，出現(xiàn)復(fù)雜的氣液流動(dòng)狀態(tài)[4]。

圖3 膜傳熱系數(shù)隨循環(huán)量的變化

圖4 總傳熱系數(shù)隨循環(huán)量的變化

圖5 富余量隨循環(huán)量的變化

圖5可看出，增加循環(huán)量后富余量同步增加。

綜上：高循環(huán)量需要增加泵的流量、揚(yáng)程、擴(kuò)大管路管徑等，這將增大裝置的一次投資與能耗，且對(duì)傳熱提高有限。因此本案例采用800 t/h的循環(huán)量，在保證換熱器富余量和流速的基礎(chǔ)上，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 殼體直徑對(duì)傳熱的影響

保持其他參數(shù)不變，選取殼體直徑1500、1700、1900、2100、2300 mm，研究其對(duì)傳熱的影響，見(jiàn)圖6～9。

圖6 管內(nèi)流速隨殼體直徑的變化

圖7 膜傳熱系數(shù)隨殼體直徑的變化

圖8 總傳熱系數(shù)隨殼體直徑的變化

圖9 富余量隨殼體直徑的變化

圖6可看出，殼體直徑為2300 mm時(shí)，管內(nèi)流速僅有1.17 m/s，對(duì)于含有顆粒的流體，流速過(guò)低時(shí)污垢易聚結(jié)在管壁導(dǎo)致熱阻增加，最終影響設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行；當(dāng)殼體直徑取1500 mm時(shí)，管內(nèi)流速為2.87 m/s，此時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示管內(nèi)壓降為21kPa，壓降偏大。

圖8可看出，隨殼體直徑的增加，總傳熱系數(shù)在下降，但圖9中換熱器計(jì)算富余量仍在增加，是因?yàn)殡S殼體直徑的增加，換熱面積大幅增加。但這種靠增加設(shè)備尺寸來(lái)提高設(shè)計(jì)余量的方案往往是不經(jīng)濟(jì)的，其弊端有增大投資、設(shè)備占地、使設(shè)備笨重增大檢修難度等。

綜上：本設(shè)計(jì)采用1900mm的殼體直徑是合適的，在保證換熱器富余量和流速的基礎(chǔ)上，具有較低一次投資。

2.3 換熱管長(zhǎng)對(duì)傳熱的影響

保持其他參數(shù)不變，選取換熱管長(zhǎng)3500、4000、4500、5000、5500 mm，研究其對(duì)傳熱的影響，見(jiàn)圖10、11。

圖10 總傳熱系數(shù)隨換熱管長(zhǎng)的變化

圖11 富余量隨換熱管長(zhǎng)的變化

換熱管長(zhǎng)增加，換熱面積線性增加，膜傳熱系數(shù)幾乎不變。

圖10可看出，隨換熱管長(zhǎng)增加，總傳熱系數(shù)保持不變，因此，如果布置允許，可以通過(guò)增加換熱管長(zhǎng)來(lái)提高設(shè)計(jì)富余量。但本案例為立式布置，換熱管加長(zhǎng)，支撐設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架也要同步加高，成本會(huì)隨之上升[5]。

綜上：本設(shè)計(jì)采用4500 mm的換熱管，考慮到設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，多預(yù)留一定設(shè)計(jì)富余量。

2.4 換熱管管徑對(duì)傳熱的影響

保持其他參數(shù)不變，選取不同換熱管φ14、φ19、φ25、φ32、φ38，研究其對(duì)傳熱的影響，見(jiàn)圖12～15。

圖12 排管數(shù)隨管徑的變化

圖13 換熱面積隨管徑的變化

圖14 膜傳熱系數(shù)隨管徑的變化

圖15 富余量隨管徑的變化

圖12、13可看出，同樣的殼體，采用小管徑可以排列更多的換熱管，從而得到更大的換熱面積。因此，如果流體潔凈且滿足允許壓降的要求，一般推薦選用φ19或更小的換熱管；而對(duì)于易結(jié)垢的物料，則建議至少選用φ25的換熱管。

對(duì)于流速，一般管程液體流速：0.6～3 m/s；殼程液體流速：0.3～1.5 m/s；流速控制的目的是使流體達(dá)到湍流狀態(tài)，以便保證足夠的傳熱系數(shù)；因?yàn)闅こ淘谳^低的雷諾數(shù)下便可達(dá)到湍流狀態(tài)，故常將雷諾數(shù)較低者，即流速小、粘度大的物料放在殼程。

圖14可以看出，管徑增大后，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)減小。

2.5 管程污垢熱阻對(duì)傳熱的影響

保持其他參數(shù)不變，選取不同管內(nèi)污垢熱阻值(單位m2·h.C/104kcal)：2、3、4、5、6、7，研究其對(duì)傳熱的影響，見(jiàn)圖16、17。

污垢的形成機(jī)理可分為：沉淀污垢、顆粒污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、腐蝕污垢、生物污垢等，可單獨(dú)發(fā)生或同時(shí)發(fā)生，其生長(zhǎng)速率由取決于操作條件下的物理、化學(xué)關(guān)系。污垢隨換熱器操作時(shí)間而加厚，合適的污垢熱阻應(yīng)能保證換熱器在兩次清洗時(shí)間之間具有足夠的總傳熱系數(shù)以保證傳熱速率。

圖16、17可以看出污垢熱阻對(duì)換熱器的總傳熱系數(shù)及富余量均影響較大，減小污垢熱阻能有效提高換熱器的效率。對(duì)于易堵塞物料，污垢熱阻往往很難選取，一般需要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。

圖16 總傳熱系數(shù)隨污垢熱阻的變化

圖17 富余量隨污垢熱阻的變化

近年來(lái)可減緩管壁污垢形成的分散劑越來(lái)越多的得到應(yīng)用，如果物料有合適的分散劑，則在計(jì)算時(shí)污垢熱阻可適當(dāng)取小。

3 結(jié)論

通過(guò)探討管程液體循環(huán)量、殼體直徑、換熱管長(zhǎng)和換熱管徑對(duì)蒸發(fā)器的影響得出如下結(jié)論：

(1)提高管程循環(huán)量對(duì)管內(nèi)膜傳熱系數(shù)有利，管程循環(huán)量為800 t/h時(shí)，管內(nèi)流速1.74 m/s，壓降、總傳熱系數(shù)均適宜，繼續(xù)提高循環(huán)量對(duì)換熱器富余量影響不大。

(2)放大殼體直徑對(duì)總傳熱系數(shù)不利，但是換熱面積在增大，換熱器設(shè)計(jì)富余量仍可提高。本設(shè)計(jì)采用1900 mm的殼體直徑，可以在保證換熱器富余量和流速的基礎(chǔ)上，具有較低一次投資和管內(nèi)壓降。

(3)在布置允許的情況下，可以通過(guò)增加換熱管長(zhǎng)來(lái)提高換熱器富余量，本設(shè)計(jì)在管長(zhǎng)為4500 mm時(shí)，富余量已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(4)在介質(zhì)允許的情況下，選用小管徑對(duì)總傳熱系數(shù)及換熱面積都有利，可降低換熱器的尺寸及成本，考慮到介質(zhì)宜堵特性，本設(shè)計(jì)采用φ25換熱管。

(5)在管程介質(zhì)加入分散劑可增加換熱器的設(shè)計(jì)富余量，從而提高換熱器長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)間。

[1]昝河松.管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì)，2007,17(5):22-26.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 151-2014 管殼式換熱器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[3]吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M].北京：科學(xué)出版社，2009:605-615.

[4]譚天恩，竇 梅，周明華.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:132-193.

[5]張德姜，王懷義，劉紹葉.工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一篇 設(shè)計(jì)與計(jì)算)[M].北京：中國(guó)石化出版社,2009：91-98.

(本文文獻(xiàn)格式：王彥斌.某化工裝置蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)分析[J].山東化工,2018,47(7):120-123.)